论文部分内容阅读
人类活动在全球范围内极大地改变了氮素从大气向陆地生态系统输入的方式和速率，人为固定的活性氮素正在不断累积，并对生态系统的结构、功能产生了显著影响。大气氮沉降的增加可能是形成“未知碳汇”的部分原因，但目前对氮沉降及其对陆地生态系统碳循环的影响研究仍存在很大不确定性，特别是大尺度上的研究还相当薄弱。氮输入陆地生态系统后会通过影响植物的光合作用、呼吸作用，光合产物在植物组织中的分配，以及凋落物分解过程来改变碳在库问的传输转化方式和蓄积量。深入了解氮输入对植物、土壤中碳吸收、周转、蓄积过程的影响，准确评估氮沉降带来的生态系统生产力和碳吸收能力变化，对推进全球碳循环研究具有重要意义。
中国已成为继美国和欧洲之后的又一氮沉降集中区，研究中国的大气氮沉降现状和时空格局，以及定量评估氮输入水平的提高对陆地生态系统碳循环过程的影响将是区域乃至全球研究的一个重要方向。本文利用中国大气干、湿沉降监测数据揭示中国氮沉降格局的时空变异特征，并结合大气化学传输模型重新生成一套更贴近中国沉降实况的长期氮输入空间网格数据。以此作为输入，结合气候、大气化学成分(CO2、O3)，土地利用及人为管理等多因子的变化特征，利用强调氮循环和碳、氮耦合过程的生物地球化学模型探讨和分析1900-2005年间中国大气氮沉降的变化对陆地生态系统碳通量和储量的影响。通过这些研究，得出以下主要的科学认知和结论：
(1)中国的干、湿沉降通量存在明显空间梯度，从工业区到不发达地区逐步降低。全国的总氮沉降速率(仪包括水溶性NH4+和NO3-离子的湿沉降和大气NO2干沉降)平均为12.89 kg N ha-1yr-1，年通量可达12.35 TgN，沉降速率显著人于美国和欧洲。当前普遍用于全球氮效应评估的大气化学传输模型结果显著低估了中国实际的氮沉降速率，特别是NH4+湿沉降，仅有44.4％的模拟结果落在观测数据±50％的区间内，如果考虑到含氮化合物观测的不完整性，大气化学模型对中国氮沉降状况的模拟吻合程度将更低。本研究综合氮沉降的站点网络观测与大气化学传输模型，生成一套更接近中国实测情况的氮沉降长期时空数据，分析表明，中国总氮沉降水平以每年0.17 kgN ha-1或1.47％的速度增加。其中，东南区域的氮沉降水平增加最快，高达35.64 kg N ha-1，约每年增加0.34 kg N ha-1，接下来依次是北部、西南、东北和西北。
(2)本文基于在多重尺度上高度整合的动态陆地生态系统模型(Dynamic Land Ecosystem Model，DLEM)，完善和提高氮循环和碳、氮耦合过程对关键碳循环过程的调节和反馈机制。建立一个“完全开放”的氮循环系统，允许生态系统内部的氮素与外界环境进行“无限制”的交换。同时，不仅充分考虑了氮限制对光合、呼吸、分配、分解等关键过程的影响，还加入了碳同化物分配、周转过程对氮循环的反馈调节机制。
(3)在过去105年间，中国大气氮沉降的增加使得陆地生态系统净初级生产力(Net Primary Productivity， NPP)比对照情景下提高7.6％，土壤呼吸(Soil Respiration，Rh)提高了5.1％，并且其增量百分比随着可用氮数量的提高逐年增加。在整个研究时段内，中国对大气氮输入的响应表现为一个突出的碳汇，其碳吸收能力平均为0.061 Pg C/yr，105年共累积碳量为6.5PgC。单位氮沉降引起的净初级生产力和土壤呼吸量的增加都在上世纪80年代达到高峰，80年代以后开始逐渐趋平，甚至有轻微下降，尽管氮沉降速率仍保持逐年上升的趋势。这表明中国局部地区的生态系统受氮限制的程度开始减弱，甚至有的地区出现氮饱和现象。
(4)森林的氮促碳汇在所有植被类型中最高，为0.037±0.026 Pg C/yr，占整个中国氮促碳汇的61％。接下来依次是草地、灌木和农田，氮输入增加引起的这些系统的碳吸收能力分别为0.011±0.01，0.005±0.003，0.002±0.005 Pg C/yr。在过去105年间，氮沉降增加引起的森林碳蓄积为3.89 Pg C，占整个中国氮促碳库的60％，草地、灌木和农田分别为1.14，0.48，0.25 PgC，占氮促碳累积的18％，7％和4％，其余的植被类型贡献了剩余的11％。随着氮沉降输入的不断提高，森林、草地、灌木和农田的植被碳库份额减少，氮增加引起的碳素累积逐渐向土壤碳库转移，其中草地表现得尤为明显。
(5)本文还初步探讨了植物的生理氮利用效率(Physiological Nitrogen Use Efficiency，NUE)随着大气氮输入水平提高和水分状况改变引起的变化。结果表明，森林利用氮的能力最高，每年单位氮吸收量引起的净初级生产力可达94-102 g C/m2/yr，灌木位居第二，单位氮吸收引起的NPP为63-73 g C/m2/yr，并且随着大气氮输入水平的不断提高，这二者的氮利用效率仍在持续上升。草地的氮利用效率只有46 g C/gN，并且没有随大气氮输入的增加而出现显著的改变。农田生态系统的氮利用效率为42-45 g C/gN，与草地非常接近，但随着大气输入增加变化较小，有轻微下降的趋势。
(6)大气氮沉降增加可以显著提高CO2的施肥作用。在过去105年间，由于大气氮输入作为外源氮补充，可使得森林生态系统在CO2单独变化情景下的年平均碳吸收能力提高56％，草地可提高61％。灌木和农田系统的氮增加效应更为明显，大气氮输入增加后，灌木的碳汇能力是CO2单独增加情景的1.5倍，农田可高达2.6倍。
因此，在历史上大气氮沉降对中国陆地生态系统碳吸收起到了关键作用，但是由于生态系统的氮限制状况逐步得到缓解，以及个别生态系统内氮饱和的出现，这种效应将逐渐减弱。今后的研究需要进一步考虑大气氮沉降对环境的负面影响。